爆発圧接法の化学装置への応用

∪.D.C.d21,791.1:るる2.2:るる.023

爆発圧接法の化学装置への応用

Explosive

_{WeldingandItsApplicationstoChemicalEquipment}

奥

村

貞

雄*

富

安

富士男*

Sadao _{Okumura Fujio Tomiyasu}

非

上

正

_{一_吏*}

14月samiInoue

要

旨

爆薬の爆力を利用する爆発上仁接法を,化学矧貰の特色である,特殊耐良材のライニソグ施行に応用するため 倹討左'進めた′その結果,(1)∴ミミ爆技法,(2)線爆接法の開発に成功し,これをノ､ブ爆接法と名づけ.(3) 1モ耐爆技法とともに,化′予装置への応用技術として,二れを確立した⊂,以後,チタン,ジルコニウム,メンタ ノし,銅,7ノしミニウム,ニッナ′しなどの金属やその合金と,軟鋼,高張力鋼などの構造材とのl自二接接合か叶能 となり､障綿枇の接合技術とともに,化サ装繹へ♂〕特殊材料の導入を技術面,経済面よF)容易ならしめた 1.精 巧 近時,化学l二業の発矧こ附､,化学装置の大形化,運転条件の高 温高圧化,処理媒質の複雑多様化は,目を見張るものがある｡その 縮架,化学装置には,過酷な反応条件にも耐え得る各種の特殊材料 が必要となF),これらの加￣￣r二技術もまた高度なものが要求されるよ うになった｡,･一一九 化学装置は,装置工業の常として,建設原価の 抵減をはからねばなF_)ず,機器製作原仰の低減策から,上記特殊材 料も,ライニンブ構造,クラッド構造として利用される例が多く, 丁ニンクり 化学装置の一つの特色とな一つている｡ ライニング構造,ケラッド構造の利用は,必然的に軟鋼を主とす る構造材のうえに,特殊材という異種金属の接合が必要となり,ロ ー√ル庁妊￣口∫否,溶接叶否などの】とり越と,希釈の問題が,この構造の 制約となっている_ 十なわち,チタニウム,ジルコニウム,タンタ 【′'､コ ′Lなどの高級耐良材料は異種金属との溶接が小可能であるため,せ 爆薬＼ っかくの耐食性能も安f【郎こ放えない現状である｡また異種金属との 溶接が可能な各種ステンレス鋼,ニッケルおよび鳥ニッケル合金に ついても,ライニンブ材を薄くすると軟鋼Jこ土材との成分希釈により 溶接部の耐食性が劣化するので問題である｡ 口立製作所笠戸工場ではこれらの問題を解決するために,爆薬が 爆発するときに発生する強力なエネルギーを利用する爆発圧接法に 着日し,附和37iFころから基礎研究を開始して点と線からなるハ ブ爆発圧按法の開発に成功した(1)｡このハブ爆発圧接法ほ全面爆発 圧接法とともに,あらゆる組合せの異種金属間の接合を可能とし,ま た極薄板のライニンブにも最適である｡このすく'､れた技術により化 学装置への特殊材料の導入が容易になり,新しいライニソグ構造の 機器の製作技術が確立して,すでに多くの実績をあげた(ヱ)｡ 以下,爆技法の概要.爆接部の性質および化学装琵への応用例に ついて述べる｡

2.爆発庄接法

爆発圧技法ほ,爆薬が爆発する際に発′とする,叔力な衝撃虻力を 利用する一種の冷問圧接法で,金属板全曲を接合しようとする,全 面爆接法の開発が端緒となり,点と線の接合をよ1的とした,ハナ喋 接法れ 次いで開発されたものである｡) 2.1ハ _ブ爆接法 ハブ爆接法ほ,金属ライニンブ施行を=仙とL,∴1主爆接法二ねよひ 線爆接法からなる,部分爆按を特長とするこ点爆接法は,図1(a) に示すように,ラ†ニンブ材と母材との合わせ痢を研摩して重ね, ライニソグ材の上にハブキャ､ソプと称する火l二品を設置する.ニ ハブ キャップほ,直径16mm￠×長さ40mmの塩化ビニールケース内に * 日立製作所笠テ｢｢二場 仰輝 ハブキャリ→ノ 研嘩 母材ニノ ･ / ′7▼ ∴′ _∴ニシ 接/丁.盲i 苛鴫器 a 点旭さ接法 ラ∴ニンハゴ b _繰熔接法 ㌣ う ク 根 衝 山根 英 傑 管 ■い七 ノ即オ 石しご壷 ▲-1 1T 接汁占1二 タ メ 研摩 C セ而爆摸法 図1/､ブ爆接法および全山爆授法 爆薬と電気点火装置が内蔵されている｡ハブキャップを爆発させる と,囲に示すように環状の範囲が接合され,断而の接合境界には, 図2に示すような微細なさざ波状の塑性変形がみられる【なお,ハ ブキャップは,斉発も可能である｡ 線爆接法には,ハブコードと称し,図=b)にホすような塩化ビ ニール製ライナの上に爆薬をかまぼこ状に接着したひも状の火工.枯 を用いる｡一端から電気雷管で爆発させると,爆薬直下の鞄州が帯 状に接合される｡接合境界には,爆ごう方向に凸向きのU字形等点 線をもった,さざ波状の塑性変形がみられ,その麒徴鎧サ良ほ,図2 の点爆接のものと同様である｡ 2.2 _{全面爆接法} ハブ爆接法が,点および線状の部分爆接であるのに対L.て二伸爆

●拶;

もごぺ 恐 一d ′人 (a)

-一怠転表ナ曹長･芸羞ぷ

:凝漕蛋譲

ノ㌔ -ニケ_Jノダ ヰ警立並 璃一l J懸1_` ふ軒 加〆 こ心Ⅵヽ什㌔こTr､￣￣†r■で勺￣Yノ㌣竹

芝葺き′′藷繁芋欝;ニー

凶2 接法は, (b)Ti-1〔＋SS41-9L 爆接部の鮮徴鏡紳.織(×100) クラッド鋼の製造を目的として,ライニング材と村村とを 全面にわたって接合することを特良とする｡ノカ法は,図=c)に示 すようにライニソグ材と付材とを,問げき◎を隔てて平行に設置し, ライニソグ村上に緩衝板を介して爆薬を全面に装置する｡爆薬を一 端から爆発させると,全面に及んで接合し,爆ごうプチ向と平子Jな断 面に,図2に示すような塑性変形がみられる｡ 爆発圧接法の接合機構についてほ,次のように説明されている｡ たとえば,図1(c)において,爆発のある一時点を考えてみると, ライニソグ材は,閃げき◎,爆連などに支配される,角度βをもっ て母材に衝突する｡このように2枚の金属板が角度をもって高速で 衝突すると,金属は流体的挙動をし,接合両側の表面矧ま塑性流動 を子l三じ,爆発圧接特有のさざ波状の変形を呈する｡この現象はメタ ルジェットと呼ばれ,衝撃点Pi･こおいてほメタ′しジェットの生成iこ ギミ爆 按試 料 の 試験 結 果 試 料 い取 板 惇 径 さ 板厚減少比 接合部 せん断試験 〔注二 材 質 (mm) (mm) (mm) (%) m m m m m m kgkg別

ステンレストナソ

_SUS-27 0.3 14.9 0.64 11 SUS-27 1.0 14.9 0.80 19 プ､テン レ′ス SUS-27 2.0 .7.96 ･4▲ 0 ∩八U 7 ミム0 2 3 一 ルウ椚1･0■16.〇.12 9 1 5 3 史U ハリ l ハリ 9 2 9 3 9 1 1 RU 7 0 只U 7 4 0 4 8 4 4 4 9 6 1 0 4 6 0 亡U 1 9 ,0 5 2 4 3 5 (XU 6 nU 7 1 穴U 7 nU 7 8 3 4 1 0 ハU 7 7 2 .3 6 10 4 0 14 母板ほすべて SS41-9mm るたど), る(3)(4) 新たに露出された,新鮮な金属面をも一つて強力に加圧され 従来の冷間虻接法のように,同相接合するとされてい ハブ爆接法では施行的に間げきの取り方などが全面爆接法 と典なるカ＼ 3.1 Lに述べた接命機構は同様である

3.爆接部の性質

ハ ブ爆接う去 表1は点爆接部の試験結果を示す〔､任痕は抵抗溶接に比べてやや 探いが,なめらかな球面状の凹みで外観は美麗である｡ライニング 材ほ旺痕の中央で10∼20%の板厚減少がある 接合面に平行な引 張荷車を負荷するせん断試験では,1点あたりの肢断荷重は,比較 のために引用した抵抗溶接に対するMIL規格値を上回っており,平 均fろ‖瑳,すなわらばらつきは小さい｡接合部断[輌の板厚方向のかた さ分布は,図3に示すように,加工硬化しやすい材質では墳非の塑 性流動した範閃か硬化しているが,表面側では,かたさ,組織とも, ほぼ素材と変わらない｡ 表2ほ線爆接部の試験結果を示す｡ライニンブ材側の圧痕深さ, 似厚減少率は点爆接の場合と同様である｡接合幅はほぼ/､ブコード の爆薬の幅にひとしく,8∼12mmである｡接合面に平行に負荷する せん断試験では.破断が接合部以外の素材部で起こるため,ハク離 試験を行ない,爆接線単位長さ当たりの破断荷車で示した｡表2に 併.i己した試験方法でも,接合部がハク離することなく,接合端部に 応力集中を生じて,枇厚方向に破断が進む｡端+くの応力集中の影幣 を少なくするた軌Ti-2mmとSS41-12mmとの組合せについて, 衰3にf)㍍己するような,比較的純粋なハク離荷屯を知日しうる試験 を千丁なうと,爆接線咋1位長さ当たりの破断荷風よきわめて人きく, また,按命中位而横当たりについてほ,はばチタンの抗張力に近い｡ 抜合晰l巾の板厚方向のかたさ分布は,図3に示した点爆接の場合 とほぼ同しである｡図4は線爆按継手の敵方ふ亡験結果である｡重ね 継-トさあるために接合端如こ応力集中を生ずることは避けられない ので, 0 一 銅円.O u l C .2.〇〇 3 1 4 12 2一 1一1･01 1 8 1 【 只U この部分から板厚方向に割れが仁J香して瓜㈲如こ幸る｡表4は 400 300 古里観世べ】小‥∴山 卜純一-てテン レス0.3mm lテン _レス2mⅡ1

〆

ネタン1mm 削mm＼､[抑㌦･ ニウム1mm 0 ∧U 線 爆 接 試 料 の 試 験 結 ----→･卜板 軟鋼9ml¶ 1 0 1 境新前からの距離(Tm) 爆接部の硬度分布(板厚方向) m m u l C m m .1 5 T L 41 m S m S 9 ABP

_ら

Al lmmllmm

弓

;三ニt号Lmち

㌦■一…伽

心細一山紬

㌦芯地

ハク離荷重(kg/mm) JF 均 偏 臓考 差 (%) 0 2 29.3 24.6

票ミ吾】悪

試験方法 /､ク離荷重は5個の平均値

爆

発

圧

_接

_法

の

化

_学

_装

_置

へ _の

応

_{用 1057} 蓑3 _{線爆接のハク離強度(Ti-2t＋SS41-12t)} No. J l 1 2 4 _】 5 _{平 均} ハク離荷重(kg/mm〕 接 品 幅 B(mm) ハク離感度(kg/mm2) 262 10 26.2 302 10.5 28.8 329 11.0 30.0 338 10,4 32.4 341 10.5 32.5 314 30.0

広真%

///

壬彰杉Z

ライニング材 ■恥 斌 母材淋ミ / 治具 / _/: 譲合部 鞍叫eロ珊仙叫出坤渡瀬救 (≡ぜ､ぎこ雷6b 50 40 瓢 却 負荷方法

羞整in

時間 (試験片) 爆接線

昌:臣

5105 2 5 106 2 510丁 繰り返し数N(CycIe) 図4 _{線爆接継手の疲労試験結果} ライナ (偏心防止用) 線爆接部表面の腐食試験結果を示す｡いずれも素材に比べて耐食性 の劣化は認められない｡ 3.2 _{全面爆接法} 表5は全面爆按法によるクラッド鋼の各種試験結果を示す｡全面 爆接法においても接合境界近傍は,図3に示すような加工硬化が認 められるが,引張りおよび曲げ試験の結果からみて,硬化層が材料 の機械的性質に及ぼす影響ほ無視できるようである｡ せん断裁度は,ステンレスクラッド鋼に対するASl'M規格値の 14kg/mm2を大幅に上回っている｡また,耐食性も素材あるいほ, ロールクラッド鋼に比べて変わらないことが明らかにされている｡

4.化学装置への応用

4.1基本白勺施行法 爆発圧接法の化学装置への応用方法には,(1)点爆接によるライ ニング構造の採用,(2)線爆接によるライニング構造の採用,およ び(3)全面爆接によるクラッド構造の採用の三つがある｡また, (1)(2)については,楼器製作手順として,次の二つの方法がある｡ (a)平板の状態でライニソグ材を母材と爆接し,その後,種々 の形状に成形し組立てる方法｡ 蓑5 全面爆接法によるクラッド鋼の機械的性質 蓑4 _{ノ､プ爆接部} の _耐食性

芋粥‥1皿mデ

_{ト買沸孟唐芋}

素腐 食_{材l線爆接部}度 (mm/y) ス _テ ン レ ス (SUS127) チ タ ン (ST-40) 銅 (CuP2-0) 二′【 ム ス フ ロ ノ/ス (ABPト0〕 5% H2SO4 65% HNO3

l6喜芸≡忍

L¶ 】 ▼...,.

1;芸H2設

1% H2SO4 1% HCl 0.085 0.63 0.092 仇31 0.99 0.27 0.095 0.56 0.097 0,28 0.81 1.33

呂二三;5

F

3:去;0

(b)付材のみで構造物の成形組1を完￣rし,その後ライニング 材を母材に爆接する方法｡ なお(b)については,既存の装置の補修方法としても用いられる｡ これらの応用方法については,それぞれの化学装置の使用条件を 十分考慮し,ライニング材の材質や板厚および構造物の寸法形状に 応じて,最も適正な方法を採用しなければならない｡爆発圧按に必 要な作業の基本ほ,(1)母材の表面仕上,(2)ライニング材の表面 処理,(3)母材とライニング材の組合せ,(4)爆薬設置および発 破,(5)洗浄の5項目より構成されている｡なおハブ爆接の場合, ライニソグ端部の基本的な継手形状ほ,図5のとおりである｡ 4.2 _{ライニング応用例} 4.2.1点 爆 接 法 点爆接法の化学装置への応用は,主として手順(b)の場合が多 く,既製の構造物に耐食材料をライニングとして張りつける場合 に,最も簡便な方法として利用される｡点爆接に用いるハブキャ ップは,その爆発音も単発では猟銃の発射音程度であり,特殊な ポータブルガンでの施行も可能である｡したがって,高度な耐食 度のみを要求する化学容器や,既存装置の腐食事故に対する高級 耐食材での補修には最適である｡ 図るは,枚厚1mmのチタンを点爆接ライニングした化学容器 を示す｡従来のチタンライニングにはビス止め後TIG溶接する 方法が採用されていたが,それに比べると作業がスピード化され, 高い性能のものが得られる｡ 4.2.2 _{線 燥 技 法} 化学装置への線爆接法の利用ほ,手順(a),手順(b),いずれの 場合にも軌､られ,それぞれの特色により,爆接ライニソグ施行

[当別転

[当容撲空誘

_{因5 継手部の施工方法} 溶接部 材 質 ラ _{ッ ト'材} 坂 厚 母 材l(二mm) 引 張 試 験

(塩/監滋=)ト盈恩品l懲r内

チ プ チ ク ス ニテ _ン て㌔｢￣ ン ス _■テ ン P P S S S T T U U U ( (､S S S ン ン ス ス ス /､ス テ ロ イ C 二洞 (:ClユP2-0-￣7-+､スフロ ンス ア′Lミニウムr-AIP3-0二J SS41 SB42B SS41 SB49B sB42B

F

SB42B SB42B SS41 SS41 SF45 SB42B 十 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 外 良 良 良 良 良 艮 艮 良 接合性試験 せん断鹿渡 (kg/mm2) 31.6 28.6 39.9 40.9 41.7 32.2 44.6 20.3以上 35.0 36.0 14.0以上 ハク離強度 雌 39.4 37.8 55.8 60.2 59.7 43.1 59.2 11.9 55.8 59.7 9.8 33.0 31.5 37.7 44.1 34.9 34.6 31.0 28.3 37.1 39.8 24.1

董さ主要J宣萱

44.0 46.6 50.8 41.9 46.2 53.1 39.6 34 29 36 30 33 29 33 良 良 良 良 良 良 良 良

≡F≡

_{回6 点爆接法によるチタンライニソグ容器}

岡7 線爆接法によるステンレスライニソグした 熱交換器の胴体

l

図8 _{全面爆接法によるチタンクラッド反応器の内部} 法の主力となっている｡すなわち,手順(a)では,爆接作業を平 板の状態で行なうので作業が容易であり,その後の加工はクラッ ド鋼を使用する場合と,まったく同じとなる｡化学容器の鏡駄, 胴板などには,この方法がよく用いられる｡一方手順(b)は,ラ イニソグ材が非常に薄い場合や,大径の円筒内面の場合でライニ ソグ材をあらかじめ成形しなくとも,母材の形状に合致させるこ とのできる構造に用いられる｡この場合,前述の点溶接同様,既 存の構造物にも適用できる｡そしてノユ爆接の場合より,熱応九 負圧力など使用条件が過酷な機器にでも応用が可能である｡ 図7は既存の構成材料では腐食がはげしいとされた構造物に, 高級耐食材料として,板厚0.5mmのSUS28を線爆接ライニング した,熱交換器の胴体をしたものである｡この例は8基に及び, その後の腐食を完全に防止することができ,プラントの寿命をい ちじるしく伸ばした例の一つである｡ 線爆接に用いるハブコードの爆発音は,長さによって異なるが, 点爆接と異なってかなり大きな衝撃音を発するので,日立製作所 笠戸工場では,特殊な設計を施した作業場を設置し,外部への影 響を防止している｡ ム2.3 _{全面熔接法} 化学装置の特色としてあげられる過酷な使用条件の要求は,前 述のライニソグ構造では満足しない場合が生じてくる｡すなわち 化学装置は,高温稼動の場合もあり,負圧稼動の場合もある｡ま た運転中は問題ないとしても,運転停止時に負圧を生ずる場合が 非常に多い｡したがって,部分爆接の場合,ライニング材には, 負圧力や熱応力が作用し,これを母材に固定している部分は,こ れらの作用に十分耐えられる考慮が必要で,これを怠ると機器の 性能に重大な影響を与えることになる｡ このような観点から,全面爆接法は上述のような過酷な使用条 件に用いられる圧力容器,反応器,晶出器などの本体および各種 耐食熱交換器の管板などに多く用いられている｡ 夢′ 図9 全面爆接法によるアームブロンズ製 クラッド管板(海水用熱交換箸別 全面爆接法は,ライニソグ材全面を母材に接合するもので,従 来の圧延法によるクラッド鋼とその稜の工作要領はまったく同じ である｡ただ,圧延法の場合,接着機構に種々問題のある材料の 組合せがあり,その接着強度は低いものが多い｡この点全面爆接 法によるクラッドライニソグは,あらゆる種煩の材料の組合せに 応用でき,その接着強度も大であるので工作ほ容易である｡ 図8は全面爆接によるチタン板厚2mmのタラッドライニソグ 構造の反応器を示す｡従来の圧延法のクラッド鋼に比べ,接着強 度は数倍の値を示し,工作性能および使用性能ともすぐれたもの を示している｡また,図9はアームスブロソズ9mmを全面爆接 した海水用熱交の管板を示す｡なお,全面爆接は母材の板厚に制 限がないので,施行場所への輸送さえ可能であれば,超厚板構造 鋼材への耐食材のクラッドライニノダが可能であり,圧延法では 不可台巨な組合せの各種のクラッド鋼を得ることが可能である｡

5.結

口 以上,爆発正接法の概要と化学装置への応用について述べたが, 爆発正接法は,従来の溶融溶接によるライニソグ法,およびロール 圧延によるクラッド法には見られない,多くのすぐれた特色をもっ ている｡化学装置への応用という観点から得られた結論を要約する と,下記のとおりである｡ (1)ハ ブ爆接法 (a)0.5∼2.Ommの薄板ライニソグに適し,接合部の強度, 耐食性などの性能が良好である｡ (b)あらゆる金属の薄板間,および極薄板対厚板の接合に 適している｡ (c)チタン,ジルコニウム,タンタル,銅,アルミニウム, ニッケルなどの金属やその合金と,軟鋼,高張力鋼など の構造材との直接接合ができる｡ (d)熱影響や合金層の生成による劣化がなく,ひずみ取りや 熱処理などの後熱処理が不要である｡ (e)既存の構造物にもライニソグ施行でき,簡便で作業性が すぐれている｡ (f)火薬消費量が少ないので場所的制約が少ない｡ (g)材料費の節減や,能率の向上など,経済的な効果も大 きい｡ (2)全面爆技法 (a)クラッド比の制約を受けず,ライニソグ材0.5∼12mmの (b) 厚さに適用でき,接合強度,耐食性は,ロールクラット 法よりすぐれている｡ あらゆる組合せの金属材料に適用できる｡

爆

発

圧

接

法

の

化

_学

_装

_置

へ _の

応

_{用 1059} (c)ライニソグ材が高価なほど,母材が厚いはど,経済的に 有利である｡ (d)製作期間が短い｡ (e)高温操業,負圧操業の化学装置に応用が可能である｡ 爆発圧接法によるライニング施行は,今検,石油化学,化学繊維, 合成樹脂,ソーダ,肥料,薬品などの化学工業で使われる各種耐食 機器のライニング法として,また,薬品,食品,発酵,醸造などの

頭

容器類のさび止め用薄板ライニソグ法として,性能の向上 _価格の 低減に大きな効果をあらわしてゆくものと期待される｡ 参 芳 文 献 亀石,富安ニ _{ケミカルエソジニヤリング9,p.26(昭39-2)} 佐々木,富安:精密械械3l,p.106(昭40-7) Abrabamson:J.Appl.Mech.28,p.519(Dec.1961) Cowan&Holtz皿an二J.Appl,Pbys.34,p.928(Apr.1963)

廷

特

許

の

紹

介

特許弟446802号(特公昭39-26258) 回

転

ド ラ 上 回転するドラム内に冷媒または熱媒を流通させ,ドラム外周に被 冷却物またほ被加熱物を接触させるようにした回転ドラム式乾燥棟 においてほ,冷媒または熱媒を回転ドラムの一端より流入し,ドラ ムの回転力を利用してドラム内を螺旋状に流通させた後ドラムの他 端より排出するようになっているため,入口付近の冷媒または熱媒 と出口付近の冷媒または熱媒とは温度差を生じてドラムの軸方向に 温度こう配を生じ,被冷却物またほ被加熱物に乾燥むらができる｡ この発明は回転ドラムの一端中心部および他端中心部よりドラム 内全長に延在する流入管および流出管を設け,流入管より冷媒また は熱媒をドラム内に均等にかつドラムの回転方向と反対方向に流出 させるとともに流出管よりドラム内の冷媒または熱媒を排出させ て,ドラム内の冷媒または熱媒の温度差をなくし,ドラムの軸方向 の温度こう配発生を防止するとともに冷却またほ加熱効果を向上さ 1 _{11 9 14} 8

l

′由

一 ノ _ノ ■■■l●■

〝

l

13 ノ

_ノ

〃

12 囲1

表

鰐

松 島 宰･村 岡 忠 雄

式

熱

交 換

機

せたものである｡ ドラム1を図2の矢印方向に回転しながら,流入管11の入口8よ り冷媒またほ熱媒を導入すると,冷媒または熱媒ほ流入管11内を 軸方向に流動してノズル9よりドラム1内に均等にかつドラム1の 回転方向とは反対の方向に流出する｡したがってドラム1内軸方向 の冷媒または熱媒温度ははば均一であり,またドラム1内に流出し た冷媒または熱媒はドラム1の回転方向とは反対の方向に流れなが ら伝熱面であるドラム1の内壁に押付けられるため,ドラム1外周 面の被冷却物または被加熱物14との相対速度は大きくなり,冷却ま たは加熱効果は向上する｡一方ドラム1内の冷媒または熱媒は圧力 差によって流通穴13より流出管に入り,出口10を経て外部に排出 される｡ _(寺田)

1｡タkエー

9⊥1二二1二

ノ

13 図 2 12